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第十五章超声诊断--第一节基本原理及仪器简介

来源:物理诊断学 作者: 2006-1-16
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摘要: 第十五章超声诊断 超声诊断(ultrasound diagnosis)是在现代电子学发展的基础上,将雷达技术与超声原理相结合,并应用于临床医学的诊断方法。随着电子技术的发展,尤其是电子计算机技术应用于超声诊断仪,使超声诊断水平迅速提高,并广泛应用于临床各个领域,包括肝、胆、脾胰、肾、膀胱、前列腺、颅脑、眼、甲状腺、乳......


第十五章 超声诊断

  超声诊断(ultrasound diagnosis)是在现代电子学发展的基础上,将雷达技术与超声原理相结合,并应用于临床医学的诊断方法。随着电子技术的发展,尤其是电子计算机技术应用于超声诊断仪,使超声诊断水平迅速提高,并广泛应用于临床各个领域,包括肝、胆、脾胰、肾、膀胱、前列腺、颅脑、眼、甲状腺、乳腺、肾上腺、卵巢、子宫及产科领域、心脏等脏器及软组织的部分疾病诊断。B型超声(B-mode ultrasonography)及二维超声心动图(Two-dimensional echocardiography)能实时显示脏器内部结构的切面图像。M型心动图(M-mode echocardiography)可以记录心脏内部各结构的运动曲线。超声多普勒(Ultrasonic Doppler)可以检测心脏及血管内血流速度、方向及性质等。超声与X线CT及核素扫描已成为八十年代现代化医学的三大影像技术。

第一节 基本原理及仪器简介

  一、超声的概念

  超声波是声波的一种,是机械振动在弹性介质中的传播;频率在16-20000赫(Herz)的声波人耳可以听到称为可闻声波;频率高于20000赫的声波,人耳听不到称为超声波。

  二、超声的物理特性

  (一)超声场特性:超声在介质内传播的过程中,明显受到超声振动影响的区域称超声场。超声场具有以下特点:如果超声换能器的直径明显大于超声波波长,则所发射的超声波能量集中成束状向前传播,这现象称为超声的束射性(或称指向性)。换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似,平行而不扩散,近似平面波,该区域称近场区。近场区内声强分布不均匀。近场区以外的声波以某一角度扩散称远场区。该区声波近似球面向外扩散,声强分布均匀,但逐渐减弱,换能器的频率愈高,直径愈大,则超声束的指向性越好、其能量越集中(图15-1-1)。近场距离,远场扩散角与换能直径及频率的关系如公式所示:

  L0=r2f/C sinθ=1.22λ/D

  式中L0为近场距离,r为换能器半径,f为频率,C为声速、 θ为半扩散角、D为换能器直径,λ为超声波波长。

  L0近场区 θ半扩散角 D声源直径

  (二)超声的反射与散射

  1.声阻抗:介质的密度与超声在介质中传播速度的乘积称声阻抗。声阻抗值一般为固体>液>气体。

  超声在密度均匀的介质中传播,不产生反射和散射。当通过声阻抗不同的介质时,在两种介质的交界面上产生反射与折射或散射与绕射。

  2.反射、折射与透射:凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长(称大界面)时,产生反射与折射。成角入射,反射角等于入射角,反射声束与入射声束方向相反(图15-1-2A)。垂直入射时,产生垂直反射与透射(图15-1-2B)。反射声强取决于两介质的声阻差异及入射角的大小。垂直入射时,反射声强最大。反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。进入第二介质的超声继续往前传播,遇不同声阻抗的介质时,再产生反射,依次类推,被检测的物体密度越不均匀,界面越多,则产生的反射也愈多。

图15-1-1 超声波的指向性

L0近场区 θ半扩散角 D声源直径

  3.散射与绕射:超声在传播时,遇到与超声波波长近似或小于波长(小界面)的介质时,产生散射与绕射。散射为小介质向四周发散超声,又成为新的声源(图15-1-2、C)绕射是超声绕过障碍物的边缘,继续向前传播(图15-1-2、D)。散射回声强度与超声入射角无关。

图15-1-2 超声波的反射与散射

A.成角入射时反射与折射。B.垂直入射时反射与透射C.散射。D.绕射。

  (三)超声衰减:超声在介质中传播时,随着传播距离的增加,声强逐渐减弱,这种现象称为超声的衰减。引起衰竭的主要原因是介质对超声的吸收(粘滞吸收及热传导吸收)。超声频率愈高,介质的吸收愈多;其次为能量的分散如反射、折射、散射等。使原传播方向上的能量逐渐减弱。

  (四)多普勒效应:声源和接收体作相对运动时,接收体在单位时间内收到的振动次数(频率),除声源发出者外,还由于接收体向前运动而多接收到(距离/波长个)振动,即收到的频率增加了。相反,声源和接收体作背离运动时,接收体收到的频率就减少,这种频率增加和减少的现象称为多普勒效应(图15-1-3)。

图15-1-3 多普勒效应

  三、超声诊断基础

  (一)人体组织的声阻与衰减系数

  超声诊断是通过人体各种组织声学特性的差异来区分不同组织。按照声学特性。人体组织大体上可分为软组织和骨骼两大类,软组织的声阻与水近似,骨骼则属固体。人体组织的声速、声阻抗、声吸收系数、衰减系数等反映人体组织的基本声学特性,人体不同组织的声学特性不同,见表1。人体各种软组织的平均声速约为1540米/秒,声衰减系数约与声频率成正比。声频率1兆赫时,衰减系数约1分贝 /1厘米。

表15-1-1 人体正常组织的声速、密度、声阻及衰减系数

m/s g/cm3 g/cm2.s)dB/cm MHz
脂 脂 1476 0.955 14100.63 0.8~7.0

  大 脑 1530 1.038 1588 0.95 0.9~3.4

  脑 脊 液 1523 1.000 1523

  血 液 1570 1.055 1656 0.18 1.0

  肝 1570 1.050 1638 0.94 0.3~3.4

  水(37°) 1523 0.993 1513

  颅 骨 3360 1.658 5570 20 1.6

  空 气 332 0.00129 0.428

  超声在人体内传播时,在两种不同组织的界面处产生反射和折射,在同一组织内传播,由于人体组织的不均匀性而发生散射。超声通过不同器官和组织产生不同的反射与散射规律,仪器利用这些反射和散射信号,显示出脏器的界面和组织内部的细微结构,作为诊断的依据。

  (二)正常脏器的回声规律:

  1.含液体脏器如胆囊、膀胱、血管、心脏等,壁与周围脏器及内部液体间为界面、液体为均匀的无回声区(图15-1-4A)

  2.实质性软组织脏器如肝、脾、肾等脏器均有包膜,周围有间隙,内部各有一定结构,如肝可以显示脏器轮廓、均匀的肝实质与肝内管道结构(图15-1-4A)

  3.含气脏器如肺、由于肺泡内空气与软组织间声阻差异极大,在其交界面上产生全反射(几乎100%),并形成多次反射(图15-1-4 B),即超声不能进入正常肺泡。胀气的胃肠亦如此。

  4.正常骨骼与周围软组织的差异大,在软组织与骨皮质交界处产生强反射,进入骨骼的超声由于骨松质组织吸收极多而不能穿透(除颅骨外)。其后方形成无回声区称声影(图15-1-4 C)。

图15-1-4 正常人体组织与病理组织反射规律

A、实质性脏器(肝)与含液体脏器(胆)的声象图规律。

B、含气脏器(肺)的多次反射。

C、骨骼的声象图(脊柱)

D、肝肿瘤、内部回声不均匀、较强回声区呈团状,肝表面不平。

E、胆囊内结石、胆囊无回声区中一强回声光团,后方有声影。

  (三)病变脏器的回声规律:

  当脏器有病变时,由于病变组织与正常组织的声学特性不同,超声通过时产生不同正常的回声规律,各种病变组织亦各有其声学特性、其反射规律亦不相同。如肝内液性病变为无回声区,肝癌为强弱不均的实质性回声区、边缘不整齐(图15-1-4D),胆囊内结石则在无回声区中有强回声光团,后方有声影(图15-1-4E)。

  (四)超声多普勒:

  利用多普勒效应原理检测运动物体。当发射超声传入人体某一血液流动区,被红细胞散射返回探头,回声信号的频率可增可减,朝向探头运动的血流,探头接收到的频率较发射频率增高,背离探头的血流则频率减低。接收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频。多普勒频移(fd)与发射频率(fo)、血流速度(V)、超声束与血流间夹角(θ)的余弦成正比,与声速(C)成反比,公式为:

fd= ±2v/λ =±2 v/C fo

fd=± 2v . cosθ /C fo

V=fd C/2fo . cosθ

  式中fd、cosθ仪器均可显示,fo及C为已知,可以计算出V。声束与血流方向平行时可记录到最大血流速度,声束与血流方向垂直时则测不到血流信号。

  目前常用的超声多普勒有连续波多普勒(CWD)、脉冲波多普勒(PWD)及彩色多普勒(CDFI)。

  (1)连续波多普勒以频谱显示,可单独使用,亦可与二维超声心动图结合。接收取样线经过部位上所有频移信号,其优点为可以测定高速血流,常用于测定心脏瓣口狭窄或返流的高速血流。缺点为不能区分信号来源深度。

  (2)脉冲波多普勒亦以频谱显示,与二维超声相结合,可以选择心脏或血管内任一部位的小容积血流显示血流实时频谱,频谱可显示血流方向(朝向探头的血流在基线上,背离探头的血流在基线下),血流性质(正常的层流呈空窗型如图14-1-5,湍流则呈充填型如图15-1-6),血流速度(频谱上信号的振幅)、血流持续时间(横座标显示时间)。可供定性、定量分析。其特点为所测血流速度受探测深度及发射频率等因素限制。通常不能测高速血流。

  (3)彩色多普勒:脉冲多普勒原理,在心脏或血管内多线、多点取样,回声经处理后进行彩色编码,显示血流速度剖面图,以红色代表朝向探头的血流、兰色代表背离探头的血流、与二维超声心动图套叠显示,可直观地显示心脏或血管的形态结构及血流信息的实时动态图像,信息最大,敏感性高,并可引导脉冲或连续多普勒取样部位,进行定量分析。

图15-1-5 正常脉冲多普勒频谱

左图示超声束经血管内层流血流 右图为所显示正常血流频谱(空窗型)

图15-1-6 脉冲多普勒湍流频谱

左图示超声束经狭窄后的湍流血流。右图为湍流频谱(充填型)

  (五)超声对人体的影响

  超声是一种机械能,超声的产热和空化效应在人体内是否产生,取决于使用仪器的功率和频率,现在超声诊断仪的功率为10毫瓦/平方厘米,(超声治疗仪为0.5~2.5瓦/平方厘米),根据国内外实验研究证明对机体无损害作用,但对胎儿的检查时间不宜太长。

  四、超声诊断仪简介

  超声诊断仪由两大部分组成,即超声换能器及仪器。

  (一)超声换能器(Transducer):超声换能器是由压电晶片组成,晶片受电信号激发发射超声,进入人体组织,遇不同声阻界面产生反射与散射、晶片又接收回声信号,转换成电信号、送入仪器。晶片将电能转换成声能(发射),又能将声能转换成电能(接收),称之为声电换能器。

  (二)仪器:目前所用超声诊断仪多应用超声脉冲回波技术,将接收到的回波信号、经过放大并显示在显示屏上。根据显示的方式不同,分为A(Amplitude)型、M(Motion)型、B(Brightness)型及D(Doppler)型已为临床广泛应用。其它如超声全息、超声CT及超声显微镜等目前尚处于研制阶段。

  1.A型:属一维超声、回声强度以振幅显示、探头由单晶片构成,主要用于腹部、头颅、眼、胸腔等检查,现多已淘汰。

  2.M型:一维、光点显示、光点的亮度代表回声强弱、探头为单晶片,用于心脏、胎心、血管检查、显示心脏、血管结构的活动规迹曲线图又称M型超声心动图。

  3.B型:以二维、光点显示。

  (1)机械扫描:由单个晶片摆动或三个晶片转动扫描,探头内晶片由微电机带动,作扇形扫描、图像呈扇面形。

  (2)电子扫描仪:探头内有多数晶片构成,又可分为①线阵:由数百个小晶片、排列成线形。②凸阵:由数百小晶片排成弧形。③相控阵:由32-64个晶片排成方形或矩形。显示图像呈矩形或扇形,线阵与凸阵主要用于腹部、扇形主要用于心脏。

  现代高分辩力、高灵敏度仪器都具有实时(real time)显像,显示动态图像、灰阶(gray scale)编码及动态聚集功能,横向分辨力达2-3mm。时间增益补偿(Time gain compensation),以补偿由超声衰减造成的深部组织显示不清的缺陷。采用数字扫描转换器(Digital scan converter),增加了很多附加功能。如图像处理,图像轮廓增强,探头位置显示、字符显示、局部放大、停帧、拼幅、电子标尺,面积及心功能自动显示,产科胎儿测量计算及预产期显示等,便于临床使用。并多附有摄影、录像及打印机(printer)等现代记录设备,记录静态的或实时图像供会诊或教学用。

  超声诊断工作原理方块图及各类型仪器显像原理示意见下图及图15-1-7至图15-1-11. 

  高频信号发生器 ← 同步器

  声电换能器 ← →

    ← 接 收 放 大 ←显示器

  超声诊断仪工作原理方块图

  4.超声多普勒仪:

  (1)连续波多普勒:一维、频谱显示、探头内有二个晶片一收一发,用于检测高速血流。

  (2)脉冲波多普勒:一维、频谱显示,探头由单晶片组成、兼收、发。常与二维超声相结合,用于检测血流速度、方向、性质等。

  (3)彩色多普勒:二维、光点显示、以伪彩色代表血流方向、性质及速度。

  多普勒用于检测心腔及血管内血流。彩色多普勒仪都具有B型、M型、连续波、脉冲波多普勒功能、根据需要任意选择使用。

图15-1-7 A型回声图示意图回声图Y轴 图15-1-8 M型超声心动图示意图a、M 型扫描示意图

(振幅高度)代表回声强度、X轴代表深度   b、M型心动图Y轴代表深度,X轴代表时间

图15-1-9 切面超声心动图示意图

a、快速扇形扫描示意,b、切面超声心动图Y轴代表深度,X轴代表心脏长轴。

图15-1-10 B型电子线阵显示示意图

a、线阵仪扫描示意,b声象图显示,Y轴代表深度。X轴代表上下或左右

图15-1-11 超声脉冲多普勒显示示意图

a、多普勒取样部位显示。B多普勒频谱图。Y轴代表频移(血流速度)。X轴代表时间。

  五、超声诊断术语

  B型超声命名

  1.B型超声法又称二维超声扫描(Two-dimensional scan),超声切面显像(Cross-ection imaging),超声断层法(Ultrasound tomography),其图像称声像图(Ultrasonnogram)。

  2.声像图命名

  (1)以回声强弱命名:

  强回声光点或称高水平回声。

  中等回声光点可分为较强或较弱回声。

  低回声光点、低水平回声或暗淡光点。

  (2)以回声分布命名:分布均匀与不均匀

  (3)以回声光点形态命名:

  光点:亮度不同的回声小点。

  光团:多数光点集中成团状。

  光带:多数光点排列成带状。

  光环:光点排列成环形。

  光斑:较弱的多数光点集中成片状。

  管状结构:两条平行光带间为无回声区。

  (4)暗区:无回声区

  液性暗区:边缘有明确光带,内部无回声,后方回声增强,如胆囊。

  实质暗区:正常灵敏度下无回声或回声极低,适当加大增益后回声增强,如肾实质。

  衰减暗区:在某些脏器或病变之后的无回声区。在含气脏器产生多次反射,声能减弱,回声消失。在骨骼、结石及钙化病灶后方向由于反射及吸收,回声突然消失称声影。


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